Austenitt

Kva er austenitt?

Austenitt blir òg kalla gammajern (γ-jern) og er ein viktig krystallisk fase av jern og stål, der krystallstrukturen er kubisk flatesentrert (FCC). Denne fasen blir danna når stål blir varma opp til ein temperatur over den kritiske austenitt-temperaturen, som òg er kalla omdanningstemperaturen.

Stål som er i austenittfasen, er kjent for å vere mjukt, og det er lett formbart ved høge temperaturar. Sjølv om austenitt åleine ikkje nødvendigvis har optimale mekaniske eigenskapar, utgjer det grunnlaget for omdanning til andre fasar som martensitt og perlitt gjennom herding og anløping (herdetemperering).

Struktur

At austenitt har ein kubisk ansikt-sentrert krystallstruktur, betyr at jernatoma er plasserte i kvart hjørne av kuben og på midten av kvar flate. Denne strukturen gjer at austenitt kan binde seg til fleire karbonatom enn andre krystallstrukturar av jern, noko som er viktig for danninga av andre ståltypar og strukturar.

Korleis blir austenitt danna?

Austenitt blir altså danna når stål blir varma opp til ein temperatur over den kritiske temperaturen, kjend som austenitt-temperatur eller omdanningstemperatur. For karbonstål ligg denne temperaturen vanlegvis mellom 723 °C og 912 °C, avhengig av karboninnhaldet.

Ved desse høge temperaturane tillet austenittstrukturen diffusjon (spreiing) av karbonatom, noko som er nødvendig for å gjere om stål til andre fasar som martensitt og perlitt under avkjølingsprosessen.

Det er viktig å påpeike at det finst døme på metallegeringar som beheld austenittstruktur òg i romtemperatur. Døme på dette er rustfritt stål (som SAE-304 og SAE-316), som inneheld store mengder krom (Cr) og nikkel (Ni). Det same gjeld jernlegeringar med stort manganinnhald (over 10 prosent mangan) og dessutan jernlegeringar som inneheld nikkel, til dømes Inconel og Hastelloy.

Danning av austenitt

Fasediagram og temperatur

Fasediagrammet for jern–karbon(Fe–C)-legeringar

Austenitt blir danna når jern–karbon-legeringa blir varma opp til eit bestemt temperaturintervall, typisk mellom 727 °C og 1495 °C for karbonstål. Dette området ligg mellom eutektisk og peritektisk temperatur.

Eutektisk temperatur er den temperaturen der ein eutektisk reaksjon oppstår. Dette er ein transformasjon der ei væske av ei bestemd samansetjing samtidig krystalliserer til to (eller fleire) faste fasar ved ein bestemd temperatur og samansetjing. Dette skjer utan at det går gjennom ein mellomfase.

Peritektisk temperatur er den temperaturen det ein peritektisk reaksjon finn stad. Ein peritektisk reaksjon involverer ei omdanning der ei væske og ein fast fase blir kombinerte for å danne ein annan fast fase.

Eutektoidpunktet (omdanningstemperaturen) for reint jern er 727 °C, der ferritt (α-jern) og sementitt (Fe3C) blir transformerte til austenitt (γ-jern).

Oppvarming og transformasjon

Når stål blir varma opp til over 727 °C, begynner ferritt og sementitt å transformere til austenitt. Denne prosessen blir kalla austenisering.

Ved austenisering blir den romsentrerte kubiske (BCC) strukturen til ferritten forvandla til den flatesentrerte kubiske (FCC) strukturen til austenitten.

Mikroskopiske endringar

Atomær omorganisering

Ved oppvarming får atoma i stålet nok energi til å bryte dei noverande bindingane sine og omorganisere seg frå BCC- til FCC-struktur. Denne omorganiseringa tillet fleire karbonatom å bli løyste i jernet, sidan FCC-strukturen har fleire og større interstitielle (mellomliggande) plassar enn BCC-strukturen.

Oppløysing av sementitt

Sementitt, som har eit høgare karboninnhald, begynner å bli løyst opp når temperaturen stig over eutektoidpunktet. Karbonatoma som blir frigjorde frå sementitten, diffunderer inn i austenittstrukturen.

Kjemisk samansetjing og legeringselement

Kjemisk samansetjing

Mengda karbon i legeringa påverkar direkte danninga av austenitt. Til dømes skjer austenisering ved lågare temperaturar i karbonstål med lågt karboninnhald enn i høgkarbonstål.

Legeringselement

Legeringselement som nikkel, mangan og krom kan stabilisere austenitt ved lågare temperaturar. Desse elementa utvidar stabilitetsområdet til austenitten og kan senke temperaturgrensa der austenitt blir danna.

Andre element, som silisium og molybden, kan påverke kinetikken til austenittdanning ved å forandre diffusjonsfarten (spreiingsfarten) til karbon og andre atom i legeringa.

Nokre vanlege legeringselement inkluderer dei følgande:

Nikkel (Ni)

stabiliserer austenitt og utvidar temperaturintervallet der austenitt er stabil.

Mangan (Mn)

er òg ein austenittstabilisator, ofte brukt i kombinasjon med karbon.

Krom (Cr)

kan stabilisere ferritt, men i kombinasjon med nikkel og karbon kan det òg bidra til stabilisering av austenitt.

Karbon (C)

aukar hardleiken og styrken til austenitt ved å løyse seg inn i FCC-strukturen.

Fordelar

Formbarheit

Austenitt er mjuk og lett å omarbeide ved høge temperaturar. Dette gjer det mogleg å forme stål til ulike komponentar utan å bruke for mykje kraft.

Karbonatomintegrasjon

Den kubiske flate-sentrerte strukturen (FCC) tillet karbonatom å spreie seg fritt (diffundere), noko som er nødvendig for å danne andre krystallstrukturar med ønskte mekaniske eigenskapar.

Grunnlag for transformasjon

Austenitt er essensiell i herdeprosessen, der stål blir varma opp til austenittfasen og deretter raskt avkjølt for å danne martensitt, ein struktur som gir stålet auka hardleik og styrke.

Austenittisk rustfritt stål er svært motstandsdyktig mot korrosjon.

Ulemper

Mekaniske eigenskapar

Austenitt åleine har ikkje nødvendigvis dei ønskte mekaniske eigenskapane for mange bruksområde. Han er relativt mjuk og kan ikkje oppnå den høge styrken og hardleiken som trengst i mange industrielle gjenstandar utan vidare behandling.

Stabilitet

Austenitt er med nokre unntak berre stabil ved høge temperaturar. Ved romtemperatur vil han bli danna om til andre fasar som ferritt eller perlitt, med mindre han blir stabilisert av legeringselement som nikkel eller mangan.